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我国运载火箭再添突破,直径3.35米复合材料贮箱原理机诞生,大推力火箭或将提前到来

2021-01-25 22:23 作者:光电科技君  | 我要投稿

大推力火箭的强劲动力来源于充沛的燃料和高效率的发动机,随着我国航天事业的蓬勃发展,火箭轻量化要求和大规模燃料存储的技术难题却摆在了面前,基于制造业的现状,想要使用传统材料制造大型燃料贮箱十分艰难,而2021年开局就迎来了好消息:我国首个3.35米直径复合材料贮箱原理样机在诞生。那么为何新型轻质贮箱如此重要?又将会给我国的航天事业带来怎么的格局?

 

图1:3.35米直径复合材料贮箱原理样机


大推力、低成本、高安全火箭是航天事业的保障

2020年是我国航天历史的盛会,长征系列运载火箭悉数登场,为探月、探火提供了坚实安全的保障,也为北斗导航系统的最终完善起到了中流砥柱的作用。350多次的发射,超高的安全性和不断改型,让长征系列火箭愈久弥新。

 

图2:直径3.2米三分段式技术验证发动机

随着可回收火箭的前身长征八号的顺利试飞,以及大推力固体发动机的成功热试车,我国航天事业进入了黄金发展期。长征八号从立项到试飞只用了三年时间,这背后是模块化和数字化实验的技术优势形成的良好局面,而随着嫦娥五号成功返回,中国空间站即将陆续发射,航天工作者和爱好者对大推力火箭的梦想更加炙热。

 

图3:长征九号概念图

2018年,哈工大苑世剑教授及其团队攻克火箭燃料贮箱国际性难题,使用“双向可控加压流体高压成形”新技术,攻克了火箭燃料贮箱箱底成形中起皱和开裂缺陷并存的世界性难题。打破了寡头把持的局面,全世界首次直接成型出运载火箭直接3米级别的燃料贮箱薄壁整体箱底。

 

图4:超大型板材流体高压成形机及整体箱底

3年后,2021年1月22日,航天科技集团一院的成功试制直径3.35米的新材料贮箱,并且不是采用传统的铝锂材料,而是使用复合材料,采用全新的制造方法。据悉:“该贮箱主要应用在液氧环境下,相比金属贮箱可减重30%,强度更高,能够大幅提高火箭的结构效率和运载能力,是一种新型轻质贮箱。”

 

图5:长征五号b火箭


更为重要的是这个原型机的研制就一举突破了10大关键技术,并且是国内“产、学、研”联合攻关项目,这也是我国航天事业现在的特点,各大科研院所发挥各自优势,共同攻坚克难,一个个、一件件积累成大的突破,从而不断的打破各种垄断的局面。

 

图6:长征系列火箭家族图谱


 3.35米复合材料贮箱研制成功,为载人航天助力

总体设计部贮箱组组长刘德博表示:“研制中要攻克从材料体系到设计制造一系列难题,许多技术都属于国内首次尝试。”使用新材料和新工艺制造大直径超低温贮箱,既要搞定研制新材料的一系列难题,还要尝试和解决箱体制造、工装制备、箱体成型、工装拆除、密封监测等一些列工艺制造难题。

 

图7:用于拆装复合材料组合式工装的型架

因为贮箱是火箭体重占比最大的部件,使用密度更小、比强度更高、抗疲劳强度更好的新材料制造就可以减少燃料箱体重量。就像汽车采用铝合金框架后能源耗费显著下降一样,火箭的“油箱”变轻了就可以装更多的燃料。

 

图8:10大关键技术突破


然后就是这个箱子不单材料需要攻克,工艺也十分复杂,从一块一块拼接,到处是焊缝,到直接对接成型,到后来的旋压成型,无论是材料和技术都进行了多次升级。

 

图9:复合材料贮箱自动铺放工艺

之前看过掌握多项绝活的航天工匠张继永制造了我国最大的卫星燃料贮箱,凭借的是20多年的精湛技术,将一块188公斤的钛合金毛坯,加工成为一个壁厚0.8-0.85毫米,壁厚均匀性保持在0.05毫米,最终重量只有5公斤的卫星燃料贮箱,并且在太空使用10余年,深深知道这些大国工匠背后的努力。

图10:复合材料与传统材料对比

 

而对于火箭的大“油箱”的要求也越来越高,即使有大国工匠,有高精度的大型机床,载人航天需要的运载火箭不光要推力大,还要成本低。于是代替铝合金材料的新型复合材料在科学家们不懈努力下应运而生,而制造工艺却是新的难题。

 

图11:中国空间站

这次原型机的成功试制成功就意味着经过一系列综合实验和评价后,我们使用新材料、超材料造大推力火箭将进入快车道。未来火箭结构大幅减重和运载能力的提升,增强我国深空探测的能力和水平。



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